Les grands défis d’aujourd’hui

Selon la Théorie Quantique des Champs, le « vide » n’est pas un espace vide mais un état fondamental où des particules virtuelles apparaissent et disparaissent continuellement. Ces fluctuations quantiques du vide confèrent à ce dernier une énergie non nulle, appelée « énergie du point zéro« .

Mais les calculs effectués dans le cadre de cette théorie prédisent une valeur de cette énergie extrêmement élevée, de l’ordre de 10¹²²nJ/m³, soit plus de 120 ordres de grandeur supérieure à la densité d’énergie observée dans l’univers (0,53nJ/m³, soit l’équivalent de l’énergie de 4 protons par m³).

Selon certaines théories, cela pourrait traduire une instabilité potentielle. Notre univers serait en effet dans un état métastable, c’est à dire stable localement mais globalement instable. Il pourrait alors être dans un état de « faux vide » (avec une forte valeur d’énergie du vide) avec le risque de subir une transition vers un état plus stable, celui du « vrai vide » (à plus faible valeur). Si une fluctuation quantique ou un autre événement déclenchait cette transition, cela pourrait libérer une quantité énorme d’énergie. Celle-ci pourrait se propager à la vitesse de la lumière, transformant tout sur son passage.

Par ailleurs, en Relativité Générale, cette énergie du vide est associée à la constante cosmologique . Cette constante représente une force répulsive qui s’oppose à la gravité (voir la page « L’énergie sombre »).

L’énergie du vide est ainsi considérée comme la principale cause de l’expansion accélérée de l’univers observée à grande échelle.

La vidéo ci-contre « Qu’est-ce que le vide quantique ? », entretien avec le physicien Claude Aslangul, précise ce que signifie ce concept pour la Mécanique Quantique.

Dans la vidéo ci-contre « Quelle est l’énergie du vide ?« , le physicien Bruno Mansoulié, Directeur de recherche au CEA, explicite notamment cette discordance entre la valeur théorique de l’énérgie du vide et celle issue de l’observation. Il évoque également les tentatives actuelles pour résoudre cette énigme.

Les observations qui ont mis en évidence cette discordance sont essentiellement liées à l’étude de l’expansion de l’univers :

Le supernovae de type Ia :

• Saul Perlmutter, Brian Schmidt et Adam Riess ont utilisé ces supernovae comme des « chandelles standard » pour mesurer la distance et la vitesse de galaxies lointaines. Leurs observations ont montré que l’expansion de l’univers s’accélère. Voir également les pages « Distances et temps » et « Le destin de l’univers« .
• Supernova Cosmology Project et High-z Supernova Search Team : Ces deux équipes ont mené des campagnes d’observation intensives pour préciser les résultats initiaux sur l’expansion de l’univers.

Le fond diffus cosmologique :

• Le satellite Planck : Ce satellite a mesuré avec une précision inégalée les fluctuations de température du fond diffus cosmologique (CMB), le rayonnement fossile du Big Bang. Ces mesures ont fourni des contraintes très précises sur les paramètres cosmologiques, notamment la densité d’énergie du vide.

Plusieurs pistes ont été explorées pour résoudre le problème de l’énergie du vide. Notons les principales :

• Les théories de gravité modifiée: Ces théories proposent de modifier les équations de la Relativité Générale à grande échelle pour expliquer l’accélération de l’expansion de l’univers sans faire appel à l’énergie sombre. Celles-ci pourraient résoudre le problème de l’énergie du vide mais elles nécessitent d’être validées expérimentalement, alors que la Relativité Générale est déjà très largement confirmée par les observations.
• Des symétries supplémentaires: Certaines théories proposent l’existence de symétries supplémentaires qui annuleraient la contribution de l’énergie du vide à la densité d’énergie totale.
• Les Multivers: Selon cette hypothèse, notre univers ne serait qu’une bulle parmi un ensemble infini d’univers, chacun ayant une valeur différente de l’énergie du vide. Notre univers, avec une valeur très faible de la constante cosmologique, serait simplement celui où les conditions initiales ont permis à la vie d’émerger. Cette vision permettrait de « solutionner » le problème d’instabilité potentielle. Mais cette théorie est difficile à tester expérimentalement.
• La Théorie du tout: En unifiant les différentes forces de la nature et en nous donnant une nouvelle compréhension de l’espace-temps et de la matière en réconciliant la Mécanique Quantique et la Relativité Générale, cette nouvelle théorie ambitieuse pourrait nous permettre de concilier les prédictions de la physique quantique avec les observations cosmologiques et ainsi contribuer à la résolution de cette énigme de l’énergie du vide.

Voir également la page « Les théories d’unification« .

Le consensus actuel est qu’il existe une forme d’énergie sombre responsable de l’expansion accélérée de l’univers. Cependant, la nature exacte de cette énergie reste inconnue. De nombreuses expériences sont en cours pour tenter de mieux comprendre l’énergie du vide et de tester les différentes théories proposées. Les observatoires spatiaux, tels que James Webb et Euclid, (voir la page « Les télescopes spatiaux« ) devraient notamment apporter des contraintes supplémentaires sur les modèles cosmologiques. D’autre part les recherches très actives menées actuellement sur le plan théorique, comme par exemple la théorie de la Gravitation Quantique, dans le cadre des théories d’unification, pourraient également apporter des contributions majeures à notre compréhension de l’énergie du vide. (voir la page « Les théories d’unification« )

Δ Ψ  Pour aller plus loin…

• « La Plénitude du Vide » de Trinh Xuan Thuan : Cet ouvrage, écrit par l’astrophysicien vietnamien, offre une approche poétique et philosophique de la notion de vide. Il explore les liens entre le vide, la matière et la conscience, en s’appuyant sur les dernières découvertes de la physique.